Что участвует в изготовлении интегральных схем?

Изготовление интегральных схем включает процесс создания очень тонких поверхностных слоев полупроводникового материала поверх слоя подложки, обычно сделанного из кремния, который может быть химически изменен на атомном уровне для создания функциональных возможностей различных типов компонентов схемы, включая транзисторы, конденсаторы. , резисторы и диоды. Это шаг вперед по сравнению с предыдущими схемами, когда отдельные компоненты резисторов, транзисторов и многого другого были вручную прикреплены к соединительной макетной плате для формирования сложной схемы. Процесс изготовления интегральных микросхем работает с настолько маленькими компонентами, что по состоянию на 2011 год миллиарды из них могут быть созданы на площади в несколько квадратных сантиметров с помощью различных процессов фотолитографии и травления на фабрике по производству микрочипов.

Микросхема интегральной схемы или микросхемы представляет собой буквально слой полупроводникового материала, в котором все компоненты схемы взаимосвязаны в одной серии производственных процессов, так что все компоненты больше не нуждаются в индивидуальном производстве и последующей сборке. Самая ранняя форма микросхемы была изготовлена ​​в 1959 году и представляла собой грубую сборку из нескольких десятков электронных компонентов. Однако сложность изготовления интегральных микросхем возросла в геометрической прогрессии: к 1960-м годам сотни компонентов на микросхемах были установлены, а к 1969 году - тысячи компонентов, когда был создан первый настоящий микропроцессор. Электронные схемы с 2011 года имеют микросхемы длиной в несколько сантиметров или шириной, которые могут содержать миллионы транзисторов, конденсаторов и других электронных компонентов. Микропроцессоры для компьютерных систем и модулей памяти, которые содержат в основном транзисторы, являются самой сложной формой микросхем с 2011 года и могут иметь миллиарды компонентов на квадратный сантиметр.

Поскольку компоненты в производстве интегральных микросхем настолько малы, единственным эффективным способом их создания является использование процессов химического травления, которые включают в себя реакции на поверхности пластины от воздействия света. Для схемы создается маска или рисунок, и свет проникает через нее на поверхность пластины, которая покрыта тонким слоем фоторезиста. Эта маска позволяет выгравировать рисунки в фоторезисте пластины, который затем выпекается при высокой температуре для затвердевания рисунка. Материал фоторезиста затем подвергается воздействию растворяющего раствора, который удаляет либо облученную область, либо замаскированную область поверхности, в зависимости от того, является ли материал фоторезиста положительным или отрицательным химическим реагентом. То, что осталось, это тонкий слой взаимосвязанных компонентов на ширине используемой длины волны света, который может быть либо ультрафиолетовым, либо рентгеновским излучением.

После маскировки изготовление интегральных схем включает в себя легирование кремния или имплантацию отдельных атомов обычно атомов фосфора или бора на поверхность материала, что дает локальным областям на кристалле либо положительный, либо отрицательный электрический заряд. Эти заряженные области известны как области P и N, и, где они встречаются, они образуют трансмиссионное соединение, чтобы создать универсальный электрический компонент, известный как PN-соединение. По состоянию на 2011 год такие соединения имеют ширину от 1000 до 100 нанометров для большинства интегральных схем, что делает каждое соединение PN размером с эритроцит человека, ширина которого составляет примерно 100 нанометров. Процесс создания PN переходов химически приспособлен для демонстрации различных типов электрических свойств, что позволяет переходу выступать в качестве транзистора, резистора, конденсатора или диода.

Из-за очень хорошего уровня компонентов и соединений между компонентами на интегральных схемах, когда процесс выходит из строя и появляются неисправные компоненты, всю пластину нужно выбросить, так как ее невозможно починить. Этот уровень контроля качества повышается до еще более высокого уровня благодаря тому факту, что большинство современных микросхем с 2011 года состоят из множества слоев интегральных микросхем, расположенных друг над другом и соединенных друг с другом, чтобы создать сам конечный чип и придать ему больше вычислительная мощность. Изолирующие и металлические соединительные слои также должны быть размещены между каждым слоем схемы, чтобы сделать схему работоспособной и надежной.

Хотя многие бракованные микросхемы производятся в процессе изготовления интегральных микросхем, те, которые работают как конечные продукты, которые проходят электрические испытания и микроскопические проверки, настолько ценны, что делают этот процесс очень прибыльным. Начиная с 2011 года интегральные схемы управляют практически всеми современными электронными устройствами, от компьютеров и мобильных телефонов до бытовой электроники, такой как телевизоры, музыкальные плееры и игровые системы. Они также являются важными компонентами систем управления автомобилем и самолетом и другими цифровыми устройствами, которые предлагают пользователю уровень программирования, начиная от цифровых будильников и кончая термостатами окружающей среды.